信息技術 裝備數字孿生 要求 征求意見稿

1GB/TXXXXX—XXXX信息技術裝備數字孿生通用要求本文件描述了裝備數字孿生系統的組成，規定了系統的技術要求以及建設要求。本文件適用于裝備數字孿生系統的開發、使用、維護。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T43441.1-2023信息技術數字孿生第1部分：通用要求3術語和定義GB/T43441.1-2023界定的以及下列術語和定義適用于本文件。3.1裝備equipment實施和保障生產經營活動所配備的設備、設備系統等的統稱。[來源：GB/T41251-2022,3.1.1，有修改]3.2裝備數字孿生系統equipmentdigitaltwinsystem實現目標裝備與其數字實體間各要素動態迭代的系統。3.3目標裝備targetequipment被選中進行數字化映射的裝備。3.4模型model實體或實體集合的抽象表達，能夠在感興趣的條件或情況下描繪、理解或預測該實體或實體集合的屬性。[來源：ISO/IEC/IEEE42020:2019,3.13]3.5幾何模型geometricalmodel描述目標裝備幾何特征及其附加屬性的模型。3.6機理模型principlemodel利用數學公式或方程描述目標裝備工作原理的模型。3.7行為模型behaviormodel2GB/TXXXXX—XXXX描述目標裝備工況、故障、交互等過程的模型。3.8控制模型controlmodel描述數字世界對目標裝備操控機制的模型。4縮略語下列縮略語適用于本文件。AR：增強現實（AugmentedReality）CAD：計算機輔助設計（ComputerAidedDesign）CAE：計算機輔助工程（ComputerAidedEngineering）CAM：計算機輔助制造（ComputerAidedManufacturing）PC：個人計算機（PersonalComputer）VR：虛擬現實（VirtualReality）5系統組成5.1概述裝備數字孿生系統包括目標裝備、數字實體以及目標裝備和數字實體之間的孿生互動過程，對外提供仿真、可視化等孿生服務，系統組成見圖1：a)目標裝備：被選定進行數字化映射的裝備；b)數字實體：目標裝備的數字化映射；c)孿生互動：采集目標裝備信息指導數字實體的構建，并反饋數字實體產生的分析數據輔助或直接控制目標裝備優化；d)孿生服務：包括仿真、可視化、狀態監控、故障診斷、狀態預測。3GB/TXXXXX—XXXX圖1裝備數字孿生系統組成5.2目標裝備目標裝備是被選中進行數字化映射的對象。無論是在針對特定目標裝備產生其數字實體的過程中還是基于所開發的數字實體指導構建目標裝備的過程中，應關注以下能反映目標裝備的信息：a)裝備功能：目標裝備實現特定任務的能力，如遙控、自動報警、自鎖、車、銑、刨、鏜、焊和裝配等；b)裝備性能：評價目標裝備實現特定任務的質量參數，如效率、速度和準確性等；c)裝備結構：目標裝備及其單元/部件的幾何特征、結構，如尺寸、顏色、位置、裝配關系等；d)裝備環境：與目標裝備安裝、運行、維護等相關的環境因素，如溫度、濕度、亮度、其它關聯系統等；e)裝備歷史：目標裝備功能、性能、結構以及環境等相關歷史記錄信息，如結構修正歷程、功能改進歷程、運維記錄和環境變化等。5.3孿生互動5.3.1測量與感知測量與感知是基于多種傳感器、采集終端及信息系統，實現目標裝備幾何特征、工序動作、狀態、環境等多維度、多角度數據的收集，承接目標裝備與數字實體之間上行感知數據采集、傳輸、存儲。主要流程可包括：a)依據目標裝備類型，確定應測量或感知的數據范圍、類型、采集周期等要求；b)依據裝備設計和運行原理，確定測量/感知的方式和實現方案；4GB/TXXXXX—XXXXc)與目標裝備建立通信連接，明確或校驗信息來源安全性；d)通過感知、測量及讀取，獲取目標裝備相關數據；e)對獲取的裝備數據進行預處理、分析、整理等；f)傳輸流程e)處理后的數據到數字實體，形成虛實數據映射；g)存儲數據。5.3.2反饋與控制反饋與控制是實現數字實體向目標裝備的信息傳遞和控制的過程，主要流程可包括：a)確定反饋與控制的對象；b)獲取數字實體在仿真、可視化、狀態監控、故障診斷、狀態預測等過程中產生的結果數據；c)將決策與反饋結果通過接口、交互組件等傳輸至目標裝備；d)執行控制指令，該指令可由裝備控制系統接受反饋并執行或由操作人員通過操作面板手動執e)識別執行反饋指令后目標裝備的實時狀況。5.4數字實體5.4.1孿生模型孿生模型通常包括幾何模型、機理模型、行為模型和控制模型：a)幾何模型：描述目標裝備的幾何特征及其屬性，如尺寸形狀、位置公差、表面粗糙度、材料及熱處理要求等，幾何模型的創建和演化通常由CAD、CAE、CAM等計算機輔助軟件工具實現；b)機理模型：描述目標裝備的工作原理，如能量轉換和輸出、控制、測量、主要功能的執行等，機理模型通常以物理和/或化學等學科原理效應表現；c)行為模型：描述目標裝備的正常或非正常的運行行為，如典型工況行為、極限工況行為、故障行為、變頻/伺服電機控制行為、液壓/氣壓控制行為、換熱器交換行為等；d)控制模型：描述數字世界對目標裝備的控制機制，包括控制系統和控制過程。5.4.2孿生數據孿生數據是數字世界中目標裝備相關信息的總稱，包括基本特征數據、運行規則數據和應用服務數據：a)基本特征數據：表示目標裝備標識、尺寸、顏色、形狀、材料、精度、參數、結構、拓撲、銜接關系等的數據；b)運行規則數據：目標裝備工藝、運動、經驗、維護保養等數據；c)應用服務數據：數字實體基于目標裝備開展仿真、可視化、狀態監控、故障診斷、狀態預測等應用服務所產生的數據。5.5孿生服務孿生服務包括仿真、可視化、狀態監控、故障診斷、狀態預測。a)仿真：通過時空計算、業務場景模擬等手段,將包含確定性規律、機理、行為、控制機制的模型轉化為虛擬方式來模擬目標裝備。b)可視化：是指使用計算機圖形和圖像處理技術及工具（如采用二維或三維數字建模等）呈現目標裝備的狀態和特征，包括建立模型、場景編輯、渲染服務、腳本制作、虛實融合等。5GB/TXXXXX—XXXXc)狀態監控：是指通過采集實時數據驅動數字實體運動，對目標裝備的運行狀態進行監視和控制，掌控目標裝備的運行參數、傳感器狀態、工作狀態、故障報警信息等實時運行信息。d)故障診斷：基于裝備的孿生模型和數據，采用信號處理等診斷方法，實現裝備故障檢測、故障定位等功能。e)狀態預測：是指通過采集目標裝備的歷史數據和實時運行數據，結合預測算法和孿生模型，預先推測目標裝備的狀態，實現目標裝備健康狀態、壽命、故障和安全性的評估和預測。6技術要求6.1仿真仿真服務技術要求如下：a)設計階段仿真：1)應按業務需要支持需求、設計、工藝等不同類型仿真；2)宜對裝備核心部件或工藝模塊的性能進行仿真；3)應對裝備的機電熱液控一體化設計進行仿真；4)應對裝備的工藝作業、時間節拍、物料輸送、器件選型、控制與制造工藝流程等進行仿5)對裝備的各模型連接進行仿真時，宜支持軟件在環或硬件在環；6)通宜支持多設計方案的仿真與對比分析，有效評估裝備設計的合理性、科學性、經濟型，并提供裝備的效能改進和優化建議；b)運行與維護階段仿真：1)應關聯目標裝備進行虛實結合的仿真；2)應按照孿生互動的同步速率和精度要求，對目標裝備進行實時仿真；3)具備以孿生模型映射目標裝備的能力，能夠根據目標裝備運行數據更新算法和模型，以滿足新的仿真需求；c)宜提供快速迭代和優化的功能；d)宜通過仿真支持對裝備進行可靠性評估和風險分析；e)支持與裝備數字孿生其它組件及外部系統集成應用，具體包括：1)仿真應滿足映射實體裝備與外界系統集成運行的模擬計算需求；2)宜分行業定義仿真數據接口規范，使仿真進一步標準化、模塊化；3)仿真結果可輸出給可視化、狀態監控、故障診斷、狀態預測等展開各種應用。6.2可視化可視化服務技術要求如下：a)可視化展示：1)應展示裝備的外觀與結構等靜態信息、行為與運行狀態等動態信息及相關輔助決策信息；2)應滿足具體應用場景下的幀率和清晰度要求；3)根據業務需要，不同部件顯示信息的更新頻率應可配置；b)通過可視化，進行仿真、狀態監控、故障診斷、狀態預測等多項數字孿生功能服務的綜合集中控制，具體包括：1)應具備目標裝備及其各部件查看與詳細信息查詢功能，如選中裝備的某一部件結構，能根據操作者的要求定位并展示該部件的相關屬性等信息；6GB/TXXXXX—XXXX2)應具備條件查詢、模糊查詢以及反向查詢的功能；3)應具備對同一目標裝備多頁面內容同時操作的功能，如同時展示裝備某部件服役狀態監控頁面及該部件的結構設計信息展示頁面；4)應具備裝備及部件結構的多角度剖分查看功能，從裝備及部件外觀到內部的具體結構逐級下鉆，支持具體部件各級的詳細參數信息查詢、視點調整及場景切換等操作；5)應具備裝備及部件服役數據的播放、暫停、跳轉等展示控制，及倍速播放調整、瞬時及累積數值展示等多種模式控制功能；6)宜支持通過拓撲圖，進行裝備或部件之間的關聯關系的可視化，并支持拓撲圖中的圖元（裝備或部件）與二維顯示圖標或三維場景中的模型的雙向聯動；c)支持面向不同使用環境及不同人員的可視化，具體包括：1)應具備在電子沙盤、立式觸控臺、PC端、平板電腦等多種控制設備上進行可視化的能力；2)應支持裝備設計和運維不同場景中使用人員的操作權限管理；d)宜具備可視化使用引導功能；e)宜根據不同用戶習慣或業務需求配置不同布局的交互界面；f)宜通過AR、VR等交互方式，實現與目標裝備的數據疊加，及其運動變化的視效呈現；g)具備可視化的技術指導功能，展示由裝備研發機構、相關專業技術人才所提供的裝備運維專業知識：1)宜通過文字、圖表、視頻等多種形式展現裝備運維專業知識；2)宜展示裝備運維專業知識的更新狀態。6.3狀態監控狀態監控服務技術要求如下：a)應對裝備的作業環境、運行狀態、作業信息、報警信息、過程參數信息等進行定期或連續的監控；b)根據目標裝備管理需要，應對歷史或實時數據通過可視化形式，進行分類、分區展示；c)應通過設定閾值、對比往期數據等方式，對人、機、料、法、環等方面出現的異常以燈光、聲音、消息通知、報表等形式進行報警；d)依據對目標裝備的實時狀態監測結果，應具備操作指令觸發、參數調整、訂單切換、裝備切換等遠程控制能力。6.4故障診斷故障診斷服務技術要求如下：a)故障檢測：實時檢測目標裝備數據，提取特征值，并與數字實體的仿真數據進行比較，當特征值超出仿真的合理范圍時，應發出故障報警，并啟動故障診斷程序；b)故障類型識別：數字實體應具備模擬各類常見故障，生成故障仿真數據的能力，在檢測到故障時，將目標裝備中實時提取的特征與故障仿真特征進行匹配分析，判斷故障類型；c)故障分析：數字實體應具備整合故障現象、特征參數、歷史處理數據及推理規則等故障數據，構建故障診斷模型的能力，在故障發生時，調用該模型分析特征參數，并結合歷史診斷數據給出處理建議；d)故障報告：應支持可視化展示，包括故障類型、位置、嚴重程度及影響范圍等信息；e)診斷優化：數字實體宜記錄故障診斷數據和準確度，并對自身模型進行迭代優化，從而提升故障診斷的效率和準確性。7GB/TXXXXX—XXXX6.5狀態預測狀態預測服務技術要求如下：a)性能預測：應具備基于孿生模型和實時運行數據，模擬裝備的運行狀態，預測性能狀況的能力，并支持對性能偏差程度的量化評估；b)壽命預測：應具備基于孿生模型、狀態監測數據、環境工況、運行情況及更換歷史，仿真推演裝備在不同工況下剩余使用壽命的能力；c)故障預測：應具備結合裝備狀態監測數據、退化特性、歷史故障和運行工況，實現基于數據和孿生模型雙驅動的裝備故障預測，及時預警潛在故障。6.6質量特性要求6.6.1同步性同步性要求如下：a)數字實體與其目標裝備間的指令交互響應時間應滿足實際應用需求；b)數字實體與其目標裝備的狀態數據應以實際應用場景要求的速率進行同步；c)數字實體應按照實際應用需求映射目標裝備的結構、功能、性能、運行環境、關聯關系等；d)數字實體與其目標裝備間的本體數據、規則數據、衍生數據等各類數據信息應進行雙向同步，同步速率應符合實際應用需求。6.6.2系統可靠性系統可靠性要求如下：a)數字實體接收到的測量與感知數據與其目標裝備發出的應一致，無丟失或損壞；b)目標裝備接收到的反饋與控制數據與其數字實體發出的應一致，無丟失或損壞；c)應通過數據加密、身份驗證和訪問控制等方式，防止未經授權的訪問、篡改或數據泄露；d)隨著運行時間變化，裝備數字孿生系統的同步性等性能應保持不變；e)當部分組件出現故障時，應支持其他功能的正常運行；f)應具備系統故障或中斷時，數據自動保存功能，故障修復后能迅速恢復、還原和加載故障前的數據。6.6.3精度精度要求如下：a)對目標裝備的幾何特征、運動位置等進行測量與感知的精度應滿足實際應用需求，一般應達到或優于百毫米級；b)數字實體的顆粒度應滿足實際應用需求，包含但不限于尺寸規模、數據體量、應用結合度、應用集成廣度：1)尺寸規模：元器件級、零件級、構件級、模塊級、整機級等；2)數據體量：元數據、知識、信息、過程、流程等；3)應用結合度：展示描述、感知交互、動態驅動、模擬仿真、洞察決策等；4)應用集成廣度：零件、構件、單裝備、多裝備等。7系統建設要求7.1概述8GB/TXXXXX—XXXX裝備數字孿生系統的建設流程見圖2：a)模型構建：通過數據采集、建模等實現目標裝備的數字化表征；b)模型驗證：通過仿真等手段進行模型驗證與優化；c)連接交互：實現目標裝備、數字實體之間以及數字實體各模型之間的連接和信息交互；d)虛實驗證與評估：驗證裝備數字孿生系統的功能、性能等，并不斷修正。圖2裝備數字孿生系統建設流程7.2模型構建7.2.1幾何模型構建幾何模型構建要求如下：a)幾何模型應含有絕對坐標系，即統一參考坐標系；b)幾何模型應完整，包括幾何要素、約束要素和工程要素等；c)幾何模型構建在滿足應用場景需求的情況下，遵循模型最小化原則。7.2.2行為模型構建行為模型構建要求如下：a)行為模型應設置初始狀態，其他狀態可由初始狀態模型派生；b)行為模型應能準確地反映裝備實體的運行狀態；c)行為模型可根據應用場景設置精度閾值，保證行為模型與裝備實體響應差異在閾值范圍內；d)行為模型應支持多物理領域的集成。7.2.3機理模型構建機理模型構建要求如下：a)機理模型應采用開放結構和標準的數據接口定義裝備組件的關系；b)機理模型應能表征目標裝備或部件的運行機理，如運動、重力、摩擦、變形、散熱、溢出、化學反應等；c)機理模型可根據應用場景需求設定不同的機理維度及精度閾值。9GB/TXXXXX—XXXX7.2.4控制模型構建控制模型構建要求如下：a)控制模型應提供基礎功能組件，用于邏輯控制或運動控制程序的編寫、仿真或調試；b)控制模型應提供數據通訊相關的配置，用于控制系統與設備、控制系統間以及控制系統與其它軟件間的通訊。7.2.5通用要求裝備數字孿生系統模型構建的通用要求如下：a)模型宜具有兼容性，可轉換成不同格式供其他場景應用；b)模型宜進行模塊化構建，可基于場景的復雜程度對模型進行靈活配置、拆分及組合；c)應保證數據在數據采集、存儲、傳輸和使用等過程中的機密性和完整性；d)應設置模型的訪問控制機制；e)應保證模型在系統測試和評估過程中的可靠性。7.3模型驗證與校正7.3.1模型驗證裝備數字孿生系統模型驗證要求如下：a)單元級驗證：在數字實體的單元級模型構建后，應驗證其功能符合性，包括通訊能力、同步能力、反饋能力等，以保證基本單元模型功能的有效性；b)組裝驗證：通過單元級驗證后，應對組裝或融合的模型進行聯合驗證，包括各個功能單元相互通訊功能、各個功能單元工作的協同性、各個功能單元數據信息交互的實時性和完整性等；c)試運行驗證：應在實際應用環境中，按照實際情況運行一定時間后分析相關日志，驗證該數字孿生系統的功能、性能、安全性等指標是否滿足。d)收斂驗證：明確數字孿生仿真中模擬收斂的要求，有效展示監測殘差，并在必要時進行調整，以確保仿真結果收斂于合適的殘差水平。7.3.2模型校正裝備數字孿生系統模型校正要求如下：a)應根據目標裝備的形狀、位置、行為、狀態、機理等校正數字實體相關模型；b)修正后的模型應再次進行驗證是否滿足實際應用需求。7.4連接交互7.4.1信息感知裝備數字孿生系統信息感知要求如下：a)全面感知：全面感知目標裝備的狀態和行為，覆蓋目標裝備的各種狀態和行為特征；b)實時感知：具備實時感知能力，及時獲取目標裝備的實際狀態和行為信息；c)信息融合：應整合來自不同源的信息，包括傳感器數據、歷史數據、實時數據等。7.4.2通訊裝備數字孿生系統通訊要求如下：GB/TXXXXX—XXXXa)實時性：應實時獲取和處理數字實體和其目標裝備的數據，包括傳感器數據、運行狀態、控制指令、報警信息等；b)可靠性：應具備可靠的數據傳輸和存儲能力；c)安全性：連接通信過程中應保證數據傳輸的安全性；d)可擴展性：應支持數字實體通信需求的變化和擴展。7.4.3虛實映射裝備數字孿生系統虛實映射要求如下：a)持續優化：應不斷校驗虛實映射關系的準確性、完整性和可靠性，若映射關系不符合實際應用需求，則應進行映射關聯關系的更新與修正，直至其滿足要求；b)時空數據映射：數字實體應具備整體或部分構件與真實物理時間、空間位置信息映射；c)生產過程數據映射：數字實體應具備與裝備生產過程如上料、機械臂位置、啟停狀態、加工時間、報警等數據映射。7.5虛實驗證與評估7.5.1數據聯動裝備數字孿生系統數